自动化仪表复习资料

生产自动化：就是在流程型、连续性生产过程中，采用自动化仪表及装置，来检测、控制生产过程中的工艺参数，以代替操作人员的直接操作。自动化仪表分类：按仪表使用能源分类：电动仪表，气动仪表和自力式仪表按测量参数分类：化工测量仪表、电工测量仪表和成分分析仪表按仪表在自动调节系统中的作用分类：变送器、控制器、执行器和显示记录仪等按仪表的组合方式分类：基地式仪表和单元组合仪表变送器：不仅能完成参数的检测与信号的转换及传送。传感器：参数的检测与信号转换。QDZ气动单元组合仪表DDZ电动单元组合仪表误差：某一被测量的测量值与客观真实值之差。绝对误差ea：测量值X与“真实值”Xt的代数差。ea=X-Xt相对误差Er：测量的绝对误差“真实值”之比。测量误差按其产生的不同原因可分为系统误差，随机误差和疏忽误差。系统误差产生原因：1.仪表本身性能不高2.测量方法有缺陷3.测量时外界条件变化等。随机误差：随机误差是在相同测量条件下，对参数进行重复测量时，测量结果的误差大小与符号均不固定，且无一定规律的误差。疏忽误差：测量结果显著偏离被测值得误差，没有任何规律可循。测量仪表的品质指标：精度、灵敏度及分辨率、变差、动态特性引用误差：测量值的绝对误差与测量仪表的量程之比的百分数。精确度：反映正常使用条件下，描述仪表测量结果准确程度的一项综合性指标。emax允许最大绝对误差Sp测量仪表的量程我国规定生产的仪表精度等级有：0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、（0.35）、（0.4）、0.5、1.0、1.5、2.5（括号内等级必要时采用）。（注意：精度等级越小表征该仪表的精确度越高）精度等级的选取：根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，要求是不同的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的精度等级值应选不小于由校验结果所计算的精度值；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的精度等级值应选不大于工艺要求所计算的精度值。习题与思考题测量仪表有哪些品质指标？各反映仪表的什么性能？答：（1）精度：引用误差、精确度、精度等级。引用误差——表示测量仪表的可信程度。精确度（精度）——描述仪表测量结果准确程度的一项综合性指标。精度等级——反映仪表的准确度和精密度，是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。（2）灵敏度及分辨率灵敏度——反映仪表示值变化相对于被测量变化的灵敏程度。分辨率——仪表可能检测到的被测信号最小变化的能力。（3）变差——反映仪表的稳定性。（4）动态特性——反映仪表对测量值的速度敏感性能。标准大气压（atm）、工程大气压(at)、巴(bar)弹性元件种类：弹簧式弹性元件、薄膜式弹性元件、波纹管式弹性元件弹簧管压力表测量原理：通入被测压力后，由于椭圆形截面在压力的作用下，将趋向圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，从而使弹簧管的自由端产生位移。输入压力越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端的位移成正比，所以只要测得位移量，就能反映压力的大小。应变式压力传感器：是利用导体或半导体的“应变效应”来测量压力，即通过应变片将被测压力转换成电阻值的变化，通过桥式测量电路，获得相应的毫伏级电压信号作为输出。配上相应的显示仪表就可显示出被测介质的压力。适用于测量快速变化的压力和高压力。应变片的种类：箔式应变片、丝式应变片、半导体应变片箔式应变片：粘合性能好、灵敏度高、散热能力较强、成本低廉、应用广泛丝式应变片：性能稳定，能满足高温、强磁场、核辐射等特殊条件半导体应变片：灵敏系数大、频率响应快、机械滞后小、阻值范围宽，易做成小型或超小型，但热稳定性能较差、测量误差较大应变效应：当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。电容式差压变送器：用弹性膜片作为敏感元件，利用弹性膜片在压力作用下的变形，改变膜片与电容固定电极之间的距离，由此改变电容式变送器的电容量，然后进行测量。输出信号是标准4～20mA（DC）电流信号特点：结构坚实、灵敏度高、过载能力大、寿命长、动态响应快、精度高、可以测量压力、差压和微压。原理：压力计量程范围的确定：为避免压力计超压而遭到破坏，压力计的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值，并留有波动余地；为保证测量值的准确度，所测压力不能接近于压力计的下限。式中P’max是被测压力的最大值P’min是被测压力的最小值压力计的测量范围常用的有：：0~（1.0、1.6、2.5、4.0、6.0）×几个系列差压式流量计：也叫节流式流量计，是利用测量流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小的一种流量计，目前已成为工业上应用最为广泛的流量计。节流现象——液体通过节流装置，在节流装置的上下游之间产生压差的现象节流原理：流动流体的能量有两种形式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压能，又由于有流动速度而具有动能。这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的。标准节流装置：标准孔板：对流体造成的压力损失较大，只适用于洁净流体介质的测量。标准喷嘴：测量精度较孔板高，压力损失略小于孔板。对带有污垢的流体介质测量较为适宜标准文丘里管：压力损失较孔板和喷嘴小得多，可测量有悬浮固体颗粒的液体，适用于大流量气体流量测量，但制造困难、价格昂贵，不适用于200mm以下管径的流量测量，工业应用较少。差压式流量计的安装要求①节流元件：垂直、同心、密封垫片夹紧、安装方向不得装反、保证要求长度的直管段。②取压位置：液（下）、气（上）、蒸气（中）。③引压管路：按最短距离敷设、倾斜度（水平方向>1:10）、维修排污附件（切断阀、凝液器等）、隔离罐、保温伴热。转子流量计的类型：1.玻璃转子流量计2.金属管转子流量计转子流量计示值的修正液体流量的修正：如果被测液体的粘度与水的粘度相差不大(不超过0.03Pa•S）可近似认为流量系数和测水时一样。气体流量的修正：测量气体的转子流量计，制造厂是在工业标准状况下用空气标定的。对于非空气介质在不同的工作状态下测量时，可按下式进行修正。容积式流量计：是利用标准容积累积法测量原理的一类流量计。主要是用于流体累积流量，即总量的计量。直接计量流体体积，其测量与流体的密度无关，且不需进行各种换算，故精度较高，常用作计量表用。（原油计量的首选仪表）。容积流量计的种类：腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计液位计的几种形式：直读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电气式物位计、辐射式物位计、反射式物位计静压式液位计：是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理。零点迁移问题：为了防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，在变送器正负压室与取压点之间分别装有隔离罐并充满隔离液。当无迁移当正迁移当负迁移热电偶温度计：是以热电效应为基础的测温仪表。热电偶温度计由三部分组成：热电偶(感温元件)；测量仪表（毫伏计或电位差计）；连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）。热电效应：两种不同的金属导体组成闭合回路，将它们的两个接点分别置于温度T及To下，在该回路内就会产生热电动势，这种现象称为热电效应。热电动势包括温差电势和接触电势。温差电势：同一导体的两端温度不同，产生电势。影响因素：只与导体材料和两端温度T、To有关，与导体长度、截面大小、沿长度上的温度分布无关。接触电势：两种电子密度不同的导体相互接触所产生的电势。影响因素：取决于导体材料、接触点温度，当材料一定，只与接触点温度有关。热电偶测量原理结论：下标表示电势方向：：A表示正极（电子密度大的）导体，B表示负极（电子密度小的）导体，T表示高温端，To表示低温端，如果次序改变，热电势符号也随之改变2、3、热电动势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细和长短无关。热电极材料确定以后，热电动势的大小只与温度有关。4、中间导体不影响热电偶回路的总热电动势值。常用热电偶种类：标准化工业热电偶（8种）热电偶的冷端补偿：补偿导线法：补偿导线与热电偶连接，使热电偶的冷端远离热源，从而使冷端温度稳定。注意事项：（1）不同热电偶所用的补偿导线不同，型号要匹配、极性不能接反；（2）补偿导线和热电偶相连的两个接点温度相同；（3）仅起冷端延伸作用，未对冷端温度进行补偿；冷端温度修正法：采用补偿导线将热电偶冷端温度移到To处，但是To通常为环境温度而不是0℃，此时需要测量冷端温度，再根据如下关系式进行计算修正注意：用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临时测温，在连续测量中是不实用的。冷端恒温法：冷端温度恒温法需要保持冷端温度恒定。在实验室及精密测量中，是把冷端置于能保持恒温的冰点槽中，冷端温度为0℃补偿电桥法：利用不平衡电桥产生相应的电动势，以补偿热电偶由于冷端温度变化而引起的热电动势变化。热电阻温度计：是把温度的变化通过测温元件——热电阻转换为电阻值的变化来测量温度。热电阻的测量原理：利用材料的电阻随温度变化而变化的特性（电阻温度效应）来进行温度测量的。常用热电阻8种，应用最多的是铂、铜两种。铂热电阻：精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好，但是价格较贵，在高温下只适合在氧化气氛中使用。铜热电阻：热阻值与温度呈线性关系。在-50～+150℃范围内，具有很好的稳定性。在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，多采用铜电阻。缺点是电阻率低，体积较大，热响应慢。另外，当温度超过150热电阻温度计与热电偶温度计的不同：热电阻温度计是把温度的变化通过测温元件——热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的；热电偶温度计则把温度的变化通过测温元件——热电偶转换为热电势的变化来测量温度的。自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较：相似之处：与这两种仪表配套的测温元件（热电偶、热电阻）在外形结构上相似；仪表的外形及其组成：如放大器、可逆电机、同步电机及指示记录部分相同。不同之处：1）输入信号不同：电阻、电势。2）作用原理不同：电子电位差计的测量桥路在测量时，它本身是处于不平衡状态，即测量桥路有不平衡电压输出，它与被测电势大小相同，极性相反，这样才与被测电势相补偿，使仪表达到平衡状态；电子平衡电桥，当仪表达到平衡时，测量桥路本身处于平衡状态，即测量桥路无输出。3）当用热电偶配电子电位差计测温时，其测量桥路需要考虑热电偶冷端温度的自动补偿问题；而用热电阻配电子平衡电桥时则不用考虑。4）测温元件与测量桥路的连接方式不同。自动电子电位差计的测温元件热电偶是连接在桥路输出回路（即放大器的输入回路）中，用补偿导线采用两线制接法，而自动平衡电桥的测温元件热电阻是采用三线制接到线路中。电子电位差计的基本组成有哪些部分?试简述其工作原理。答：电子电位差计主要由测量桥路、放大器、可逆电机、指示机构、记录机构、电源组成。原理：电子电位差计是根据电压平衡原理工作的，即将被测热电动势与已知电压比较，当两者相等时，系统平衡，指针指示对应的温度数值。简述原油含水分析仪的种类及各自的优缺点。答：（1）电容式原油含水分析仪：优点是结构简单，可动元件少，维护方便，在线连续测量，精度较高；缺点是需要对不同油品进行个别标定。（2）蒸馏电容式低含水分析仪：具有测量精度高(可达0.1％)、稳定性好、适用范围广（一般用于含水率10%以下的低含水原油的测量）等优点，一般无需进行个别校正。结构复杂，可靠性差，不便维护，不能测量高含水原油。并且其测量过程是间断的，测量周期长，测量结果不能连续显示。烟气分析的目的是什么?氧化锆烟气分析仪有几种类型?两种探头结构上有何异同?答：通过连续测量烟气中的含氧量，就可以了解炉膛中的燃烧质量，从而控制进风量，保持最佳燃烧状态，达到降低燃料消耗、减少环境污染的目的。氧化锆烟气分析仪有直插定温式、直插补偿式。两种探头结构上的相同点：都由陶瓷过滤器、氧化锆管、内外铂电极、热电偶、氧化铝陶瓷管、内外电极引线、接线盒等组成。两种探头结构上的不同点：直插补偿式无加热器。色谱分析仪中，色谱分离的实质是什么?常用检测器有哪些?答：色谱分析的基本原理是根据不同物质在被称为“色谱柱”的元件中，具有不同的分配系数而进行分离的。载气在固定液上的吸附或溶解能力要比样品组分弱得多，可以忽略不计，而试样中各组分在固定液上的溶解能力各不相同。由于各组分流出色谱柱的先后次序不同，从而实现了各组分的分离。常用的检测器有热导式探测器、氢焰电离检测器、电子捕获及火焰光度检测器等。简述催化燃烧气敏元件的测量原理。可燃气体报警仪的组成是什么?为什么要定期校验?答：可燃气体在较高的温度下，经钯金属触媒催化作用，与氧气发生氧化反应，产生无焰燃烧而放热。其放热量与可燃气体的浓度有关。空气中可燃气体浓度越大，所产生的燃烧热越多、温度越高，其内铂丝的电阻越大。桥路输出电势与可燃气体的浓度成正比。组成：探测器和报警控制器。传感器灵敏度会受到使用时间的影响，为了保证探测器的准确性，定期对探测器进行校验是十分必要的。自动控制系统的方框图被控对象：被控制的那部分设备被控变量：需要保持恒定的工艺参数操纵变量：实现自动控制的物料量干扰作用：引起被控变量变化的外界因素如图所示为自力式贮槽水位控制系统，（1）指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么？（2）画出该系统的方框图。（3）试分析当出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制的？答：（1）该系统中贮槽为被控对象；贮槽中水的液位为被控变量；进水流量为操纵变量。（3）当贮槽中的出水量突然增大，出水量大于进水量，使水位下降，浮球随之下移，通过杠杆装置带动针型阀下移，增大了进水量，使出水量与进水量之差随之减小水位下降变慢，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。自动控制系统的目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。自动控制系统的过渡过程（a）非振荡单调过程（稳定）：被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。（b）衰减振荡过程（稳定）：被控变量上下波动、但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上。（经常采用）（c）等幅振荡过程（不稳定）：被控变量始终在某一幅值范围内上下波动。用于一些控制质量要求不高的情况（如位式控制）（d）发散振荡过程（不稳定）：被控变量上下波动，幅度逐渐变大。（竭力避免）简答自动控制系统主要有何组成？各部分起何作用？答：自动控制系统主要由测量元件与变送器，自动控制器，执行器组成。作用：1测量元件与变送器：测量液体并将液位高低转化为一种特定的统一的输出信号。2自动控制器：接受变送器送来的信号，与工艺学要保持的液位高低相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后此结果用特定的信号发送出去。3执行器：通常指控制阀或开关，与普通阀门或开关一样，只不过它有自动地根据控制器送来的信号改变阀门上下开启度或动力设备的开关状态。何谓自动控制系统的过渡形式？有几种基本形式？答：自动系统控制形式是指系统由一个平衡状态过度到另一种平衡状态的过程。过渡形式有：1、非同期衰减过程，2、衰减过程，3、等幅震荡过程，4、发散震荡过程。.自动控制系统衰减振荡过渡的品质指标有哪些？影响品质指标的因素有哪些？答：自动控制系统衰减振荡过渡的品质指标有：1.最大偏差或超凋量2.衰减比3.余差4.过度时间5.震荡周期或频率影响因素：对一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好地配合。自动化装置的选择和调整不当，也会直接影响控制质量。此外，在控制系统运行过程中，自动化装置的性能一旦发生变化，如阀门失灵、测量失真，也要影响控制质量。总之，影响自动控制系统过渡过程品质的因素是很多的，在系统设计和运行过程中都应给予充分注意。如换热器温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。何为对象特性？反映对象特性的参数有哪些？各有何物理意义？对自动控制系统有何影响？对象特性：即用数学的方法来描述对象输入量与输出两之间的关系。对象特征系数有放大系数k，时间常数T，滞后时间τ。k物理意义：是如有一定的输入变化量ΔQ1，通过对象就被放大了k倍变为输出变量Δh。T物理意义：是当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如保持初始速度变化，达到新的稳态值所需要的时间即T。τ物理意义：是因介质的输送或相关传递需要一段时间而引起的滞后。即在受到输入作用后，被控变量不能立即迅速地变化而引起的被控变量响应时间滞后。对控制系统的影响：a）k越大，表示对象输入量一定时，对输出量影响越大b）T越大，表示对象受干扰作用后被控量变化越慢，达到新的稳定值所需时间越长。C）系统受到干扰作用后，由于存在滞后，被控变量不能立即反映出来，就不能及时产生控制作用，整个系统的控制质量就会受到严重影响。分析说明放大系数K、时间常数T与滞后时间τ属于对象的何种特性？为什么？放大系数k属对象的静态特征，其他两个是对象的动态特征。K是对象的放大系数。表示对象受到输入作用后，重新达到平衡状态时的性能，是不随时间而变的。故是对象的静态特征。T是对象受到干扰作用后，被控变量变化到达新的稳定值所需的时间。表示在输入作用下，被控变量完成其变化过程所需要的时间，是随时间而变的。故是对象的动态特征。Τ表示在受到输入作用后，被控变量不能立即迅速地变化而引起的被控变量响应滞后时间。即因介质的输送或相关传递需要一段时间而引起的被控变量响应滞后。是随时间而变的。故是对象的动态特征。对象的纯滞后与容量滞后各是何原因造成的？对控制过程有何影响？答：纯滞后是由于介质的输送需要一段时间而引起的；容量滞后由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。影响：自动控制系统中，滞后的存在不利于控制。即系统受到干扰作用后，存在滞后，被控变量不能立即反映出来，就不能及时产生控制作用，整个系统的控制质量就会受到严重的影响。一般在设计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。例如在选择控制阀与检测点的安装位置时，应选取靠近控制对象的有利位置。从工艺角度来说，应通过工艺改进，尽量减少或缩短那些不必要的管线及阻力，以利于减少滞后时间。流量计按测量途径如何分类：1)速度式流量计：通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。2)容积式流量计：采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积。3)质量流量计：计量可压缩流体的质量通过量。简述差压式流量计的基本原理？由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后，会产生一定的压降。根据流速和压降的关系可以推导出右示方程：通过测量孔板前后压差即可计算出流速和流量。对储运圆管流动，当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差．该压力差通过差压计